釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

孫成才 羅承雙 黃艷國

摘要：針對釩流電池測試需求，介紹了釩流電池的工作原理，根據(jù)釩流電池運行參數(shù)，設(shè)計了一種C/S模式與B/S模式相結(jié)合的釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)。釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)主要利用C#語言和.NET技術(shù)相結(jié)合的方式，在VS2015操作平臺上以SQL Server 2016作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，完成了對釩流電池正負極電解液控制泵的啟動、停止，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)采集與顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢以及故障報警檢測等功能設(shè)計。實驗結(jié)果表明，釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)操作方便、運行穩(wěn)定、安全性高，對釩流電池測試系統(tǒng)研究以及測試標準的建立具有重要參考價值。

關(guān)鍵詞：釩流電池；C#語言；實時數(shù)據(jù)采集；故障報警

DOIDOI：10.11907/rjdk.172463

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）003009003

英文摘要Abstract：In view of the test requirement of vanadium redox flow battery， the paper introduces the working principle of vanadium redox flow battery，According to the operating parameters of vanadium redox flow battery， a kind of C/S mode and B/S mode combination of vanadium redox flow battery monitoring management system is designed； Vanadium redox flow battery monitoring and management system mainly uses C # language and .NET technology combination way to SQL Server 2016 for the database management system in the VS2015 operating platform， completed the vanadium redox flow battery positive and negative electrolyte control pump start， stop； The design of realtime data acquisition， display， historical data query and fault alarm detection is realized.The experimental results show that the vanadium redox flow battery monitoring and management system is easy to operate， stable and safe， and it is of great reference value for the research of vanadium redox flow battery test system and the establishment of test standard.

英文關(guān)鍵詞Key Words：vanadium redox flow battery； C # language； realtime data acquisition； fault alarm

0引言

太陽能、風能以及其它可再生能源產(chǎn)生的電能除用于生產(chǎn)設(shè)備外，需要將額外的富裕能量存儲在儲能電池中。目前儲能電池主要包括鎘鎳電池、鉛酸電池、鋰離子電池、全釩液流電池（Vanadium Redox Flow Battery，VRB，簡稱釩流電池）、鈉硫電池等類型。鎘鎳電池的優(yōu)勢在于其大電流充放電能力強、維護簡單。由于鎘鎳電池充放電過程中若處理不當會出現(xiàn)嚴重的“記憶效應(yīng)”，從而大大縮短電池使用壽命。同時，由于其在歐洲造成的環(huán)境污染問題，已受到CE標準限制，無法使用；鉛酸電池以其質(zhì)量穩(wěn)定、成本低、可靠性強、安全性高等優(yōu)點可作為后備電源，在太陽能、風能、應(yīng)急設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。然而鉛酸電池比能量和比功率較低，隨著反復(fù)充電次數(shù)的增加，其使用壽命短，且對環(huán)境有污染；鋰離子電池作為第三代動力蓄電池的代表，與鉛酸電池、鎘鎳電池等相比，具有體積小、比能量與能量密度高、比功率高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，因而得到了廣泛應(yīng)用[1]。但其不適合大容量集成，生產(chǎn)維護成本高，難以在電力系統(tǒng)中使用。

隨著電化學儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，釩流電池技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。釩流電池是當今世界上規(guī)模最大、技術(shù)最先進、最接近產(chǎn)業(yè)化的液流電池，在風電、光伏發(fā)電、電網(wǎng)調(diào)峰等領(lǐng)域有著極其廣闊的應(yīng)用前景[23]。釩流電池在結(jié)構(gòu)形態(tài)上與其它電池區(qū)別很大，它是一種通過外接泵將電解液輸送到電池堆的液態(tài)電池。因此，釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)是電池高效、穩(wěn)定運行的保障。

針對以上問題，本文采用C#語言，在Visual Studio2015 開發(fā)平臺上，采用C/S結(jié)構(gòu)與B/S結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，將釩流電池電壓、電流、溫度、SOC等參數(shù)通過無線模塊輸送到釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)上進行實時顯示、儲存。由于Visual Studio2015 開發(fā)平臺具有功能強大、使用靈活等優(yōu)點，使釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)可通過圖表生動、形象地展示電池運行情況。

1釩流電池工作原理

釩流電池是一種新型的電化學儲能裝置，主要由電解液、電池堆、離子膜、泵等部分組成[4]。釩流電池的工作原理如圖1所示，化學能存儲于不同價態(tài)的釩離子中，電解質(zhì)溶液在泵的作用下平行流過電極表面并發(fā)生電化學反應(yīng)，然后通過雙電極板收集和傳導電流[5]。

2主要技術(shù)分析

2.1C/S模式與B/S模式相結(jié)合

C/S模式主要由客戶應(yīng)用程序（Client）、服務(wù)器管理程序（Server）組成。C/S結(jié)構(gòu)可充分利用兩端的硬件優(yōu)勢，將任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)器端，以降低系統(tǒng)的通訊開銷，保證客戶端的響應(yīng)速度。C/S結(jié)構(gòu)中的聯(lián)接軟件不僅可以起到多數(shù)據(jù)源、多種服務(wù)之間的橋梁作用，而且可以通過數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)、兩階段提交協(xié)議等確保分布在網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點上數(shù)據(jù)的一致性、完整性和可用性[6]。C/S結(jié)構(gòu)主要用于后臺管理系統(tǒng)的設(shè)計，管理員可以根據(jù)需求，遠程啟動釩流電池的正泵、負泵以及釩流電池的充放電。

B/S模式主要由客戶端（Client）、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器3部分組成[7]。用戶通過瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)送請求，Web服務(wù)器對請求進行處理，再將用戶需要的信息發(fā)送給客戶端。B/S的最大優(yōu)點是只需要一臺能聯(lián)網(wǎng)的PC機，而不需要安裝復(fù)雜的軟件。通過瀏覽器，可實現(xiàn)釩流電池電壓、電流、溫度的實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)查詢，電壓、電流、溫度曲線顯示分析、故障報警等功能。

隨著計算機技術(shù)的不斷進步，C/S結(jié)構(gòu)維護成本相對較高、適用范圍較窄、用戶較為固定等缺點不斷凸顯，難以滿足社會需求。而B/S結(jié)構(gòu)也存在速度和安全性上設(shè)計成本高、達到C/S模式需求代價大等缺點。鑒于此，將二者結(jié)合使用，以高效發(fā)揮各自優(yōu)勢，提高系統(tǒng)運行效率。

2.2SQL Server2016數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫在整個釩流電池管理系統(tǒng)中起著重要作用，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)備份與還原可以幫助用戶在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時保存歷史數(shù)據(jù)，還原丟失的數(shù)據(jù)，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

在該系統(tǒng)中，SQL Server 2016以其可靠性、穩(wěn)定性且容易操作等特點在中小型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中受到廣大用戶的青睞。SQL Server2016數(shù)據(jù)庫的新增特點如下[8]：①全程加密技術(shù)（Always Encrypted）。該功能可避免操作系統(tǒng)管理員接觸客戶的重要數(shù)據(jù)（包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)），也支持將重要數(shù)據(jù)存儲在云端管理數(shù)據(jù)庫中，即便是云供應(yīng)商也無法查看；②JSON支持。SQL Server 2016提供JSON導入和導出支持，可以解析JSON格式數(shù)據(jù)，然后以關(guān)系格式儲存；③Stretch Database。當為本地數(shù)據(jù)庫中的一個或多個表啟用Stretch DB功能時，SQL Server 2016可以安全方式將數(shù)據(jù)從本地SQL Server數(shù)據(jù)庫動態(tài)歸檔并托管到在云中的Azure SQL數(shù)據(jù)庫，有助于將數(shù)據(jù)無縫遷移到Microsoft Azure中；④Always On。在SQL Server 2016中引用了對DTC（Distributed Transaction Coordinator）和循環(huán)負載平衡的支持；⑤支持R語言。SQL Server支持R語言處理，可以利用現(xiàn)有的R代碼直接在SQL Server數(shù)據(jù)庫引擎上運行。

3系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1登錄模塊設(shè)計

登錄窗口是用戶和應(yīng)用程序之間的主要交互界面[9]。為保障系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)開發(fā)了登錄模塊。用戶名與密碼所在的表已經(jīng)在數(shù)據(jù)庫中建立，通過應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫建立關(guān)系，可對數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的表進行查詢，驗證用戶輸入的用戶名和密碼是否正確。

如果用戶輸入信息不完整或輸入的用戶名或密碼不正確，系統(tǒng)將提示重新輸入，進入系統(tǒng)主窗體之后再判斷是否為管理員。如圖2所示為釩流電池登錄系統(tǒng)流程。

3.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)主界面由6大模塊組成，分別為釩流電池管理、用戶設(shè)置、通信設(shè)置、個人設(shè)置、查看、幫助。各個模塊之間相互協(xié)作，共同實現(xiàn)釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)的自動化管理。

（1）釩流電池管理模塊。顯示釩流電池的環(huán)境溫度、正負極電解液溫度、電堆溫度、SOC的值、負載電壓、開路電壓、負載電流、保護電流；顯示并設(shè)置電流上下限值、電壓上下限值、SOC上下限值、正負極電解液溫度上下限值與電堆溫度上下限值。

（2）用戶設(shè)置模塊。用戶名、密碼、用戶類型的添加、修改與刪除。

（3）通訊設(shè)置模塊。設(shè)置無線模塊串口的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位以及COM端口號。

（4）個人設(shè)置模塊。主要用于修改用戶個人密碼。

（5）查看模塊。可查看歷史數(shù)據(jù)與系統(tǒng)報警信息。報警類型分為3類：①正極電解液欠熱與過熱、SOC過低與過高、電流過小與過大、電壓過低與過高；②電堆欠熱與過熱、負極電解液欠熱與過熱；③環(huán)境溫度欠熱與過熱。

（6）幫助模塊。查看釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)的基本信息及幫助文檔。

3.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計

鑒于釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)的動態(tài)查詢等特點，開發(fā)人員在數(shù)據(jù)庫開發(fā)過程中，采用自定義函數(shù)方式進行設(shè)計。數(shù)據(jù)庫設(shè)計時將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與多個被監(jiān)控的系統(tǒng)進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合、分析。

在SQL Server 2016中創(chuàng)建釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)庫。創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫的語句為：CREATE DATABASE db_name。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫命名為db_MyEntry。在db_MyEntry數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建各類需要的表。例如登錄系統(tǒng)中用戶名、密碼的添加，創(chuàng)建表的語句為：CREATE TABLE tb_User（ID int not null， UserNm nvarchar（50） null， UserPd varchar（50） null）。用戶權(quán)限表結(jié)構(gòu)如表1所示。

4系統(tǒng)實現(xiàn)

釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)采用MODBUS協(xié)議的RS485總線方式進行通信。該通信協(xié)議支持ASCII模式和RTU模式。本文采用RTU模式，與ASCII模式相比，在相同的波特率下，RTU模式可傳輸更多數(shù)據(jù)。RTU傳輸模式通常采用 CRC 錯誤校驗方法，進行循環(huán)冗余校驗碼 （ CRC） 校驗，判斷數(shù)據(jù)的合法性和有效性[10]。在該模式中，每8bit字節(jié)被定義為兩個4bit的十六進制字符，讀取數(shù)據(jù)時，上位機下發(fā)數(shù)據(jù)的通信格式幀如圖3所示。

上位機與下位機的連接通過JZ893數(shù)據(jù)模塊，為實現(xiàn)信息遠距離傳送和接收，需在上位機選用串口控制。微軟.NET Framework 提供了極為方便的串口通信功能，其命名空間是System.IO.Ports[11]。JZ893數(shù)據(jù)模塊是高集成度的小功率半雙工無線數(shù)傳模塊，其采用SI高性能射頻芯片及高速單片機。模塊提供8個頻道，并配備專業(yè)的設(shè)備軟件，以便用戶進行數(shù)據(jù)更改；采用國家計量頻段，可以傳輸任意大小的數(shù)據(jù)；采用RS232串口轉(zhuǎn)RS485的方式，體積小，使用電壓寬，傳輸距離遠。

釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)在Microsoft Visual Studio 2015 開發(fā)平臺下使用C#進行設(shè)計，C#語言集成了VB語言的可視化操作和C++高運行效率的優(yōu)點，成為當前.NET開發(fā)的首選語言[12]。由于下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)很難直觀顯示釩流電池的工作狀態(tài)，因此利用VS2015軟件開發(fā)的釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)可以通過圖表生動、形象地展示釩流電池的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常并進行維護。上位機監(jiān)控界面如圖5所示。

5結(jié)語

本文介紹了釩流電池的工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)客戶需求，使用C#語言設(shè)計并實現(xiàn)了釩流電池監(jiān)控管理系統(tǒng)。試驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作便捷、穩(wěn)定性好、安全性高，較好地滿足了工業(yè)環(huán)境中的客戶需求。

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